ES2214917T3 - Mecanizacion de material compuesto de matriz metalica (mmc) por mecanizacion a alta velocidad (mav). - Google Patents
Mecanizacion de material compuesto de matriz metalica (mmc) por mecanizacion a alta velocidad (mav).Info
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Abstract
Método para producir un componente con una forma predeterminada a partir de un material compuesto de matriz metálica (MMC), el cual comprende la mecanización de una pieza en bruto de material MMC por mecanización a alta velocidad (MAV) para obtener la forma predeterminada del componente; el material MMC está definido aquí por tener un contenido de refuerzo entre el 15% y el 70% y el estado de mecanización MAV prevalece cuando las fuerzas de corte disminuyen al aumentar la velocidad de corte.
Description
Mecanización de material compuesto de matriz
metálica (MMC) por mecanización a alta velocidad (MAV).
La presente invención se refiere a un método para
mecanizar piezas de trabajo hechas de material MMC (material
compuesto de matriz metálica) para dar forma a componentes tales
como vástagos de pistón, pistones, discos de freno y otros
componentes mecánicos.
Los materiales de construcción denominados
materiales MMC se han conocido durante la última década. Los
materiales MMC son compuestos formados a partir de un material
conglomerante como aluminio, titanio o aleaciones de los mismos con
un refuerzo de mezcla de fibras o partículas de sustancias como
carburo de silicio, carburo de boro u óxido de aluminio.
Normalmente, el contenido de refuerzo es de aproximadamente el 15%
en peso a aproximadamente el 70% en peso del material MMC. Los
materiales MMC con un contenido de refuerzo inferior a
aproximadamente el 15% no se consideran en esta descripción como
materiales MMC, puesto que estos materiales pueden ser formados con
los medios usados normalmente para formar el material conglomerante
sin refuerzo.
Los materiales MMC tienen propiedades muy
interesantes, que pueden adaptarse dependiendo del campo de uso,
consiguiendo de esta manera ventajas tales como crear componentes
más ligeros, más fuertes, más rígidos, así como suministrar al
componente propiedades de resistencia mejores que las que se pueden
conseguir usando materiales convencionales dentro del campo
específico de uso.
La tecnología del automóvil, en la que las piezas
de movimiento rápido, como los vástagos de pistón, podrían
realizarse adecuadamente con estos compuestos metálicos, es un
ejemplo de un campo de uso de los materiales MMC. Los fabricantes
de vehículos intentan constantemente lograr un mayor rendimiento
con respecto al consumo de combustible, las emisiones, las
vibraciones, los ruidos, la comodidad y similares. Con respecto a
todos estos parámetros es esencial disminuir el peso, especialmente
en las piezas del motor de masa no elástica y de movimiento rápido.
Especialmente en el ámbito de las actividades de competición en las
que se usan vehículos a motor, se buscan las propiedades
mencionadas anteriormente para las piezas del motor. Los vástagos
de pistón representan, como ya se ha mencionado, un ejemplo de tales
componentes en los que un peso inferior resulta muy favorable.
En actividades de carreras de vehículos se usan
generalmente materiales ligeros como aluminio, titanio o compuestos
de carbón fibra en lugar de acero para los tipos de componentes
mencionados.
Otro campo de uso interesante para los productos
MMC son los discos de freno para coches, camiones y trenes.
Un inconveniente importante cuando se usa
material MMC es que el material es muy duro para mecanizarlo.
Cuando se da forma a un componente que emplea un material MMC, se
aplican métodos tales como moldeo del componente en un molde que se
corresponde casi con la forma final completada del componente. Otro
método es usar una pieza de trabajo forjada o una porción de un
vástago extruido, de manera que se puede emplear una mecanización
por electroerosión de la superficie del componente y una
mecanización convencional para llegar a la forma final del
componente. Se han intentado producir, por ejemplo, vástagos de
pistón para motocicletas usando los métodos de mecanización de la
producción convencional. En la presente, se ha conseguido el
propósito de llegar al componente deseado con sus propiedades
deseadas, como un peso inferior. El uso de dicho vástago de pistón
en un motor ha dado como resultado un motor que se mueve con mucha
más autonomía en una marcha superior y además induce vibraciones
menores al motor. El problema es, no obstante, que los costes para
producir la pieza del motor son muy altos, lo que implica que el
uso está restringido o limitado a campos en los que los costes son
de importancia menor.
Varios documentos de patentes revelan métodos
diferentes para la formación de la fase final de componentes hechos
de materiales MMC. La Patente estadounidense 5,765,667 se menciona
aquí a modo de ejemplo. Esta patente describe un método para la
producción de un componente, en este caso un freno de disco,
moldeando el componente en una forma que casi se corresponde con la
forma final del componente, con el fin de evitar en la medida de lo
posible, y esto está claramente expresado, la necesidad del
mecanizado con herramientas de corte. Resultará obvio para el
experto en la materia la necesidad de evitar el mecanizado con
herramientas de corte, puesto que el material MMC, cuando está
compuesto de una base de aluminio y refuerzo en forma de partículas
de carburo de silicio, contiene exactamente la composición que es
usada generalmente para las herramientas de corte en las
trituradoras.
Las partículas de silicio introducidas en el
material MMC tienen un efecto devastador en las herramientas de
corte cuando se mecaniza usando las técnicas de mecanización
convencionales, ya que los filos de las herramientas de corte se
desgastan rápidamente por las partículas de desbastado del material
compuesto.
El Artículo de la Conferencia: 30th ISIATA, ISBN:
0-9477119-94-6,
"Materials for Energy-Efficient Vehicles; Paint
and Powder Coating Application in the Automotive Industries",
Florencia, Italia, 16-19 junio 1997, del Dr. L.
IULIANO, el Sr. L. SETTINERI, y el Sr. A.GATTO, expone un método
para producir un componente a partir de un material compuesto de
matriz metálica usando velocidades de corte bastante altas. El
contenido de refuerzo en el material de prueba experimental fue
aproximadamente el 10%. Se muestra que a cualquier velocidad de
corte, el desgaste de la herramienta se reduce hasta un valor
determinado aumentando la velocidad de alimentación. No obstante,
el documento no trata de la mecanización de materiales MMC con un
alto contenido de refuerzo, donde las herramientas de corte se
desgastan rápidamente por las partículas de desbastado del
material.
La presente invención expone una solución
inesperada para el problema descrito anteriormente.
Un aspecto de la invención se basa en un método
de formación de una pieza de trabajo de material MMC mediante lo
que se denomina en este caso como Mecanización a Alta Velocidad
(abreviado MAV), de manera que se puede dar directamente su
forma
final a un componente a partir de la pieza de trabajo mediante este método de mecanización. La pieza de trabajo puede ser forjada, moldeada, ser una pieza de un vástago extruido o una materia prima producida de cualquier otra forma.
final a un componente a partir de la pieza de trabajo mediante este método de mecanización. La pieza de trabajo puede ser forjada, moldeada, ser una pieza de un vástago extruido o una materia prima producida de cualquier otra forma.
La mecanización a alta velocidad implica poner en
funcionamiento la herramienta de corte a una velocidad muy alta en
relación con la pieza de trabajo mecanizada, en comparación con la
técnica de mecanización convencional. Las herramientas de corte de
interés actual son preferiblemente las herramientas de fresado y
las herramientas perforadoras.
Tal y como se utiliza aquí, el término
"mecanización a alta velocidad" (MAV) representa un proceso
que difiere de los métodos de mecanización convencionales. Lo que
ocurre es que el término es usado a veces para indicar también una
mecanización convencional, en la que han aparecido métodos nuevos
para impulsar los límites de la mecanización convencional a niveles
más altos. No obstante, esto no es lo que se entiende aquí, como se
mostrará abajo.
La mecanización MAV se caracteriza por:
- velocidades de corte muy altas,
- alta velocidad de deformación por cizalla (la
capacidad de separar una viruta de la pieza de trabajo)
- generación de una densidad de efecto muy alta
frente al filo de corte (valor típico: MW/mm^{3}),
- en el proceso de formación de virutas,
prevalece localmente una temperatura muy alta en la posición de
corte,
- la viruta fluye sin estar en contacto con el
filo de corte,
- Las fuerzas de corte se aproximan
asintóticamente a cero.
Los siguientes son algunos ejemplos de las altas
velocidades de corte durante la mecanización a alta velocidad de
algunos materiales según la presente invención:
- aluminio aproximadamente 3000 m/min.
(convencionalmente alrededor de 100-400
m/min.),
- titanio aproximadamente 15000 m/min.
(convencionalmente alrededor de 15-100 m/min.).
La velocidad de corte correcta depende del tipo
de material que va a ser mecanizado para obtener el estado expuesto
arriba que caracteriza la mecanización de alta velocidad. Ésta
puede ser determinada por personas expertas en la materia sin
necesidad de experimentación una vez conozcan esta descripción.
Cuando se realizan pruebas para determinar una
velocidad óptima de corte para una mecanización MAV de un material
nuevo, se pueden estudiar las fuerzas de corte. Estas fuerzas se
aproximarán asintóticamente a cero cuando se logre el criterio para
el estado de la mecanización MAV. De esta manera, se puede decir
que el estado de la MAV prevalece cuando las fuerzas de corte
decrecen con velocidades de corte más altas. En el estado
mencionado de la MAV, el objetivo es determinar una velocidad de
corte óptima para el material que va a ser mecanizado. En la
mecanización convencional, las fuerzas de corte aumentan con
velocidades de corte más altas. Esto significa que, como se
entiende ahora, las fuerzas de corte en función de la velocidad de
corte pueden estar representadas por una curva con un máximo global
(pueden producirse máximos o mínimos locales). Si los datos de la
mecanización son tales que la mecanización se realiza en el lado en
aumento de la curva, prevalece la mecanización convencional.
Por otra parte, el estado de la MAV prevalece
cuando la mecanización se realiza con las condiciones de
mecanización por el lado decreciente de la curva, en otras
palabras, la mecanización MAV prevalece cuando se pasa el punto
máximo global.
Otra ventaja del uso de la mecanización MAV es
que la viruta absorbe la mayor parte del calor generado en el punto
de corte, normalmente el 80%, de manera que la pieza de trabajo no
se ve afectada esencialmente por el calor generado durante la
mecanización.
Se ha descubierto que la mecanización a alta
velocidad da inesperadamente unos buenos resultados cuando se
utiliza con materiales MMC. A pesar de la gran parte de sustancias
de desbastado incluidas en el material, parece que las herramientas
de corte mantienen su filo durante mucho tiempo, como si no fuesen
afectadas por la presencia de las sustancias de desbastado en el
material MMC. Las razones no se entienden muy bien, al igual que
los recorridos en el interior del material, es decir, no se sabe
bien lo que ocurre de hecho con el material en el punto de corte
en el caso de la mecanización a alta velocidad del material MMC.
Una teoría es que se corta una viruta del material que, en cierta
manera, entra en un estado líquido en un espacio limitado
inmediatamente delante del filo de la herramienta de corte, y que
las partículas de desbastado introducidas, constituidas por ejemplo
por carburo de silicio, carburo de boro u óxido de aluminio, son
llevadas por la forma dada sin que de ese modo entren en contacto
directo con el filo de la herramienta. Esta sería una explicación
en cuanto a por qué las herramientas de corte mantienen su filo,
bastante al contrario de lo que sucede en la mecanización
convencional.
Se han realizado pruebas para producir un vástago
de pistón mediante mecanización MAV de un material MMC. Los
resultados han sido extremadamente prometedores. Una vez que las
máquinas tienen los ajustes correctos con respecto a la velocidad
de rotación del eje, la velocidad de corte, la alimentación de la
herramienta, etc., los resultados de la mecanización son buenos.
Como ejemplo, se puede mencionar que el coste para formar un
prototipo de un vástago de pistón realizado con material MMC en su
forma final, por una parte mediante métodos convencionales, y por
otra parte mediante mecanización a alta velocidad, el coste de
producción del vástago de pistón se ha reducido más de 40 veces.
Mediante la producción en serie de componentes de MMC según la
invención es posible reducir aún más el coste.
Además, otros objetos y ventajas de la presente
invención resultarán evidentes para aquellos expertos en la técnica
a partir de la siguiente descripción detallada, en la que se
ilustran y se describen sólo las formas de realización preferidas
de la invención, simplemente a través de la ilustración del mejor
modo contemplado de llevar a cabo la invención. Como podrá
observarse, la invención es posible con otras formas de realización
diferentes, y sus diferentes detalles son susceptibles de
modificaciones en varios aspectos obvios, sin alejarse de la
invención. En consecuencia, la descripción debe ser considerada
como ilustrativa en su naturaleza y no como restrictiva.
La figura 1 muestra un ejemplo de un trabajo
experimental, en el que se ha formado una pieza de un material MMC
mediante mecanización de alta velocidad a partir de una materia
prima.
La figura 2 representa un ejemplo de una pieza de
motor, en este caso un vástago del pistón, producido mediante el
método según la presente invención.
Varios ejemplos de ensayos experimentales para
valorar el método según la presente invención están descritos en
referencia a las figuras. La figura 1 muestra un reborde 1
fabricado a partir de una pieza en bruto 2 hecha de un material
MMC, donde se ha usado una fresadora para eliminar toda la materia
prima de la pieza en bruto 2 alrededor del reborde 1 previsto. El
reborde 1 tiene en este caso forma de L y tiene un grosor final de
material de 1 mm y una longitud de 45 y 15 mm, respectivamente para
ambos lados de la L. Los ajustes usados en la mecanización son en
este ejemplo: velocidad del eje 15000 rpm, velocidad de corte 565
m/min. y velocidad de alimentación 3000 mm/minutos. El tiempo
necesario para formar el reborde 1 según la Figura 1 fue de 2.5
minutos. El tiempo de desgaste de las herramienta de corte asciende
a varias horas. La pieza según la figura está hecha de un material
MMC con una parte con un 40% de Carburo de silicio en el
material.
También se han realizado pruebas mediante
perforación en un material MMC con un 40% de contenido de SiC. Se
realizaron varios agujeros con taladros HM de 6.9 mm, en los que la
velocidad del eje asciende a 15000 rpm y la velocidad de
alimentación a 3000 mm/min. El tiempo de desgaste del taladro
permitió, en este caso, que el taladro pudiese ser usado hasta en
1000 perforaciones.
La figura 2 expone un ejemplo de una pieza para
motor, en este caso un vástago de pistón, fabricada directamente a
partir de una pieza en bruto de material MMC que ha sido mecanizada
hasta su forma final, un vástago de pistón según la figura,
mediante la mecanización a alta velocidad según la invención. El
coste de producción de un vástago de pistón según la figura 2 hecho
de un material MMC es bajo, al tiempo que muestra las siguientes
ventajas en comparación con los vástagos de pistón hechos de otros
materiales:
- -
- en comparación con el acero: una masa inferior,
- -
- en comparación con el titanio: una masa inferior y una rigidez superior,
- -
- en comparación con el aluminio: una rigidez superior, un punto de fluencia superior, un límite de fatiga superior, un coeficiente de dilatación térmica equivalente al acero de un cigüeñal adyacente,
- -
- en comparación con un compuesto de fibra: un precio inferior, propiedades isotrópicas, un coeficiente de dilatación térmica equivalente al acero de un cigüeñal adyacente.
En la mecanización según el método de la presente
invención, se han conseguido buenos resultados mediante el uso de
herramientas de corte hechas de un metal duro revestido con un
canal de enfriamiento interior y mediante el uso de herramientas de
diamante. Si se usan herramientas de diamante el tiempo de desgaste
de las herramientas es alto hasta con un 40% de contenido de
carburo en el material MMC. Si el contenido de carburo es de hasta
un 70% todavía se consiguen buenos resultados.
El método según la invención se puede aplicar a
todo tipo de componentes que deben ser fabricados a partir de un
material MMC, en los que la mecanización es posible con respecto a
la forma final del componente. El método no se limita por tanto a
los ejemplos descritos, sino que puede emplearse en todos los
componentes en los que la elección de MMC es ventajosa. Algunos
ejemplos que pueden mencionarse son: piezas de motor, estructuras
mecánicas para naves espaciales, mecanismos para instrumentos,
discos de freno para vehículos y similares. Además, los discos de
freno fabricados a partir de un MMC son ventajosos debido a su bajo
peso en comparación con el acero, lo cual contribuye a reducir la
energía de rotación almacenada en los discos de freno antes de una
deceleración, una condición que tiene una cierta importancia para
los trenes, donde cada eje de rueda está provisto a menudo de
varios discos de freno giratorios de acero.
La descripción precedente de la invención ilustra
y describe la presente invención. Además, la descripción sólo
muestra y describe las formas de realización preferidas de la
invención, aunque, como se ha mencionado anteriormente, debe
entenderse que la invención es susceptible de emplearse en otras
muchas combinaciones, modificaciones y ámbitos. Las formas de
realización descritas anteriormente pretenden además explicar las
mejores formas conocidas de poner en práctica la invención y
permitir utilizar a otros expertos en la técnica la invención en
éstas o en otras formas de realización y con las diferentes
modificaciones requeridas para las aplicaciones o usos particulares
de la invención. En consecuencia, la descripción no pretende
limitar la invención a la forma aquí descrita. Por otro lado, se
espera que las reivindicaciones anexas sean interpretadas como
incluyendo formas de realización alternativas.
Claims (23)
1. Método para producir un componente con una
forma predeterminada a partir de un material compuesto de matriz
metálica (MMC), el cual comprende la mecanización de una pieza en
bruto de material MMC por mecanización a alta velocidad (MAV) para
obtener la forma predeterminada del componente; el material MMC
está definido aquí por tener un contenido de refuerzo entre el 15%
y el 70% y el estado de mecanización MAV prevalece cuando las
fuerzas de corte disminuyen al aumentar la velocidad de corte.
2. Método según la reivindicación 1 en el que el
estado MAV prevalece cuando las fuerzas de corte en función de la
velocidad de corte ha pasado un máximo global.
3. Método según la reivindicación 1 en el que la
herramienta de corte comprende un elemento seleccionado del grupo
compuesto por un filo de corte de metal duro revestido, un filo de
corte de nitruro de boro y un filo de corte de diamante.
4. Método según la reivindicación 2 en el que la
herramienta de corte comprende un elemento seleccionado del grupo
compuesto por un filo de corte de metal duro revestido, un filo de
corte de nitruro de boro y un filo de corte de diamante.
5. Método según la reivindicación 4 en el que el
material MMC que va a ser mecanizado tiene un contenido de refuerzo
entre aproximadamente el 15% y aproximadamente el 70%.
6. Método según la reivindicación 3 en el que el
material MMC que va a ser mecanizado tiene un contenido de refuerzo
entre aproximadamente el 15% y aproximadamente el 70%.
7. Método según la reivindicación 6 en el que
dicho refuerzo es al menos un elemento seleccionado del grupo
compuesto por carburo de silicio, carburo de boro y óxido de
aluminio.
8. Método según la reivindicación 5 en el que
dicho refuerzo es al menos un elemento seleccionado del grupo
compuesto por carburo de silicio, carburo de boro y óxido de
aluminio.
9. Método según la reivindicación 5 en el que
dicho refuerzo es un carburo.
10. Método según la reivindicación 6 en el que
dicho refuerzo es un carburo.
11. Método según la reivindicación 5 en el que el
MMC comprende al menos una sustancia de base seleccionada del grupo
compuesto por aluminio, titanio y aleaciones de los mismos.
12. Método según la reivindicación 6 en el que el
MMC comprende al menos una sustancia de base seleccionada del grupo
compuesto por aluminio, titanio y aleaciones de los mismos.
13. Método según la reivindicación 1 en el que el
componente es un componente para vehículos de motor o para un uso en
sistemas ópticos.
14. Método según la reivindicación 13 en el que
el componente es una pieza de motor de movimiento rápido.
15. Método según la reivindicación 13 en el que
el componente es un vástago de pistón o un cigüeñal.
16. Método según la reivindicación 1 en el que el
componente es un componente para vehículos guiados por cadenas,
camiones o coches.
17. Método según la reivindicación 16 en el que
el componente es un disco de freno o una horquilla de freno.
18. Método según la reivindicación 2 en el que el
componente es un componente para vehículos de motor o para un uso
en sistemas ópticos.
19. Método según la reivindicación 18 en el que
el componente es una pieza de motor de movimiento rápido.
20. Método según la reivindicación 18 en el que
el componente es un vástago de pistón o un cigüeñal.
21. Método según la reivindicación 2 en el que el
componente es un componente para vehículos guiados por cadenas,
camiones o coches.
22. Método según la reivindicación 1 en el que
las fuerzas de corte en función de la velocidad de corte se
aproximan asintóticamente a cero.
23. Método según la reivindicación 1 en el que la
velocidad de la herramienta de corte que mecaniza la pieza en bruto
en un punto de corte en relación a la pieza en bruto es tal que una
viruta formada como resultado de la mecanización flota localmente
al menos momentáneamente en el punto de corte.
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